Regulación Enzimática: Mecanismos y Control Metabólico

Enzima Reguladora

Una enzima reguladora es aquella que fija la velocidad de una secuencia metabólica, ya que cataliza la reacción más lenta. En muchos sitios, el primer enzima de la ruta es el regulador. Estas enzimas pueden modificar su actividad catalítica en respuesta a señales, permitiendo que la ruta metabólica ajuste su velocidad para adaptarse a los cambios en las necesidades de la célula.

Mecanismos Moleculares de la Regulación Enzimática

1. Regulación de la concentración de la enzima ([E]).
2. Control de la disponibilidad del sustrato (S).
3. Regulación de la actividad de la enzima (E).

Inhibición Enzimática

• Retroinhibición (inhibición por el producto final de la ruta): El producto final de una ruta metabólica inhibe la actividad de una enzima al inicio de la ruta.
• Inhibición por producto: El producto de una reacción enzimática inhibe la actividad de la propia enzima.

Enzimas Alostéricas

1. Tienen varios centros activos (CA).
2. Poseen varios centros alostéricos.
3. Muestran cooperatividad.
4. Su actividad es regulada por efectores alostéricos, que pueden ser activadores o inhibidores.

Cooperatividad

La ocupación de un sitio de unión en una de las subunidades de la enzima induce un cambio conformacional en dicha subunidad. Este cambio se transmite a las subunidades adyacentes, modificando su afinidad por el sustrato. Si la afinidad aumenta, se habla de cooperatividad positiva (+); si disminuye, de cooperatividad negativa (-).

Alosterismo

El alosterismo implica la unión reversible de moléculas reguladoras a sitios específicos diferentes del centro activo. La unión de los efectores a la enzima puede aumentar o disminuir su actividad catalítica.

Efectores Alostéricos

Los efectores, ya sean activadores o inhibidores, afectan la unión del sustrato. Los activadores alostéricos (efectores +) se unen al estado R, desplazando el equilibrio hacia la forma R. Los inhibidores alostéricos (efectores -) se unen al estado T, desplazando el equilibrio hacia la forma T.

Modificación Covalente Reversible

Este mecanismo requiere dos enzimas:

• Quinasas: Transfieren el grupo fosfato terminal del ATP a residuos de serina (Ser), tirosina (Tyr) o treonina (Thr) de la proteína diana.
• Fosfatasas: Catalizan la eliminación por hidrólisis de los grupos fosforilo unidos a las proteínas.

Características de la fosforilación:

1. Es una modificación covalente reversible.
2. La cinética de fosforilación o desfosforilación puede ajustarse para acoplarse a las necesidades del proceso.
3. Desencadena efectos amplificados.
4. Responde a señales hormonales.
5. Desencadena cambios estructurales.

Regulación Covalente Irreversible

En este tipo de regulación, las enzimas se sintetizan como precursores inactivos, denominados proenzimas o zimógenos. Estas enzimas, que catalizan la misma reacción pero tienen constantes diferentes y se encuentran en distintos tejidos, se activan mediante la ruptura proteolítica de uno o más enlaces peptídicos específicos, catalizada por proteasas específicas.

Ejemplos de Enzimas Producidas por Activación de Zimógenos

• Enzimas digestivas.
• Proteínas de la coagulación sanguínea.
• Hormonas polipeptídicas.
• Colágeno.

Coagulación Sanguínea

La forma activa de un factor de coagulación cataliza la activación del siguiente factor en la cascada. El resultado es la formación de un coágulo de fibrina.

Amplificación de Señales

El control de la actividad de las enzimas por modificación covalente suele estar relacionado con la amplificación de señales metabólicas a través de cascadas enzimáticas de activación.

Isoenzimas

1. Son enzimas codificadas por genes diferentes, que difieren en su secuencia de aminoácidos y su estructura tridimensional, pero que catalizan la misma reacción.
2. Presentan características cinéticas diferentes, especialmente en cuanto a la afinidad por sus sustratos (Km).
3. Los mecanismos de regulación también son diferentes.
4. Están localizadas en células de tejidos diferentes.

Ejemplos de Isoenzimas

• Hexoquinasa: Alta afinidad por el sustrato (baja Km), inhibida por el producto. Puede utilizar otros sustratos como la fructosa. Se localiza en células del músculo esquelético.
• Glucoquinasa: Baja afinidad por el sustrato, específica para la glucosa. Se localiza en células hepáticas.